CN115452018A - 一种基于脉冲自相干的光时域反射装置及方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于脉冲自相干的光时域反射装置及方法,属于光纤传感技术领域。该装置包括激光光源、自相干啁啾脉冲调制模块,光脉冲调节模块、信号传输模块、光探测与解调模块五部分。激光器发出连续光经过自相干啁啾脉冲调制模块后可得到同时含有光载频与一阶扫频边带的自相干啁啾光脉冲,其在光电转换过程中相互拍频能够产生具有线性啁啾特性的瑞利散射信号,并且通过使用非匹配滤波器对干涉信号进行处理,从而提高空间分辨率。该方案打破了脉冲宽度与空间分辨率的矛盾,在结构简单且免疫干涉衰落的优势下,同时实现了高灵敏度和高空间分辨率的测量性能。

Description

一种基于脉冲自相干的光时域反射装置及方法
技术领域:
本发明属光纤传感技术领域,具体涉及一种基于脉冲自相干的光时域反射装置及方法。
背景技术:
光时域反射计(OTDR),是一种对光纤进行非破坏性测量、分析整段光纤的损耗情况的分布式光纤传感系统,其原理是利用光脉冲在光纤的传播过程中与光纤介质相互作用产生背向瑞利散射光,在光的发送端接收光脉冲和散射脉冲的回波形成背向散射光功率的衰减曲线,根据光功率衰减曲线确定光纤上缺陷点的位置。
1976年,由Bamoski和Jensen首先提出,因其装置特性,OTDR存在传输距离与空间分辨率相互制约的现象,且激光光源线宽较宽,相干性十分差,对施加在光纤上的外部扰动不敏感,因此不能对扰动信息进行定量解调。
相位敏感光时域反射计
Figure BSA0000282080890000011
是一种能够实现振动测量的分布式光纤传感技术。当激光光源输出光经过调制器调制成脉冲光注入传感光纤后,通过探测器探测后向瑞利散射光,根据散射光接收的时延来得到相应光纤位置处的信息。由于
Figure BSA0000282080890000012
使用的是窄线宽光源,因此探测器接收到的是脉冲宽度内后向瑞利散射光相互干涉叠加后的结果。当外界扰动作用于光纤时,对应位置处的折射率将发生变化,从而导致该位置处光相位发生了改变,最终表现为该位置处散射光强度的剧烈起伏。
1988年,Dakin和Lamb等人在专利(GB2222247A)中首次提出一种双脉冲方法,利用光开光和频移器件将探测脉冲调制为前后频率不同且时间上分离的双脉冲信号,由于前后脉冲存在时间差,因此可以将光纤中不同位置的相位信息调制到干涉信号中,实现直接探测型OTDR对扰动相位的测量。
2010年,Roger Ian Crickmore和David John Hill在专利(US07652245B2)中首次公开了一种基于双脉冲的分布式光纤传感系统,在OTDR的基础上,将激光器发出的连续光分成两路,分别使用两个声光调制器调制两个不同频率的脉冲,并在其中一路连接上延时光纤,构成前后频率不同且时间上分离的双脉冲信号,由于此装置是直接探测型OTDR,脉冲能量直接取决于脉冲宽度,因此探测距离与空间分辨率存在制约关系。此外,这种双脉冲
Figure BSA0000282080890000013
系统的空间分辨率取决于脉冲宽度和两个脉冲之间的间隔,因此进一步劣化了系统的空间分辨率;
2016年,西班牙课题组提出了一种基于啁啾脉冲和直接探测型的
Figure BSA0000282080890000014
系统(WO2017093588A1),该系统将输入传感光纤的脉冲光调制为线性啁啾脉冲,当外界存在扰动时,扰动引起的相位变化等价于频率变化,而由于线性啁啾脉冲的时频映射关系,频率变化可等价瑞利散射曲线在时间上发生了偏移,最终表现为扰动处的背向瑞利散射谱在时间域上有时延现象,通过对扰动前后的瑞利散射曲线进行互相关处理,可以算出时延的大小,进而算出扰动的大小,实现对外界扰动信号的定量测量。然而,光时域反射计存在着空间分辨率与传感距离的矛盾,一方面,提高脉宽能够提高传感距离;另一方面,由于信号采集过程中,任意时刻采集到的信号是半个脉宽内所有散射信号的叠加,因此提高脉宽也导致了空间分辨率的降低。
2019年,天津大学的刘铁根等人在专利(CN110864797A)中公开了一种异构双边带啁啾脉冲的差分COTDR分布式声传感装置及方法,此系统是基于相干探测OTDR,利用IQ调制器分别加载两路不同的电信号,使探测信号为单个脉冲同时包含两种斜率相反的啁啾扫频光,利用参考光提升待测信号的灵敏度,同时提升了信噪比。然而,由于使用了相干检测结构,系统引入了额外的相位噪声,并且结构上更加复杂。
匹配滤波技术是雷达系统中解决空间分辨率与脉冲宽度矛盾的常见方式,而这种方式同样适用于一些特定的光时域反射装置。例如2016年上海交通大学何祖源、刘庆文等人提出的分布式光纤传感系统及其振动检测定位方法(CN 201610719172.3),其通过使用匹配滤波技术对接收到的散射信号进行处理,打破了空间分辨率与脉宽之间的制约关系,极大地提高系统的空间分辨率。然而,由于系统使用的是相干检测结构,其光路结构复杂,并且会带来额外的系统噪声;另一方面,这种系统的解调方式采用的是相位解调,其解调过程中受到干涉衰落的影响,影响了系统的可靠性,必须采用额外的信号处理方法才能抑制,因此其系统解调复杂度较大。另一方面,2016年西班牙课题组提出的直接检测型的
Figure BSA0000282080890000021
系统中同样使用了啁啾脉冲,并且采用相关解调方式,不仅结构简单,而且无视干涉衰落,其系统可靠性也有了较大提升。但是,由于这种系统得到的传感信号不具备脉冲压缩的条件,其空间分辨率仍然受限于脉宽。
本发明基于现有技术进行改进,提供了一种基于脉冲自相干的光时域反射装置及方法,在直接检测型的光时域反射装置上实现了匹配滤波,其光路为直接检测型,结构简单,且不需要引入本地光,使其系统噪声更小,同时缓解了空间分辨率与脉宽之间的矛盾;另一方面,该装置使用相关解调方式,对干涉衰落有较大的抑制效果,使得系统整体灵敏度,稳定性更高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高空间分辨率、高灵敏度、可靠性和结构简单的基于脉冲自相干的光时域反射装置及方法。
本发明的目的是通过如下措施来实现的:
一种基于脉冲自相干的光时域反射装置,包括激光光源1、自相干啁啾脉冲调制模块2、光脉冲调节模块3、信号传输模块4、光探测与解调模块5五部分;其特征是:
激光光源1输出单频连续光经过自相干啁啾脉冲调制模块2中的光调制器201进行频率调制后,输入至第一耦合器202分成两束光;
第一耦合器第一输出端202a与第一光滤波器204连接,进行滤波后第一光滤波器204输出端与第二耦合器206相连;
第一耦合器第二输出端202b与第二光滤波器205连接,进行滤波后第二光滤波器205输出端与第二耦合器206相连;
第二耦合器206输出端与脉冲调制器207连接,进行光脉冲调制后脉冲调制器207输出端与光脉冲调节模块3中的掺铒光纤放大器301相连,其输出光信号经过滤波器302降噪后由可调谐衰减器303进行功率调节;
自相干啁啾脉冲调制模块2中的信号发生器203分别产生扫频电信号和脉冲电信号用于驱动光调制器201进行扫频光调制和同步脉冲调制器207进行光脉冲调制;
可调谐衰减器303输出端与信号传输模块4中的环形器401相连,其中环形器第一输出端401a与传感光纤402相连,环形器第二输出端401b与光探测与解调模块5中的光电探测器501相连;
光电探测器501输出端与采集卡502相连,采集卡502完成信号采集后将数据传输至解调装置503进行解调处理,首先通过数字带通滤波器504只保留单频瑞利散射光与一阶扫频瑞利散射光的拍频成分,并且通过非匹配滤波505将该拍频信号进行压缩用于提高空间分辨率,接着对压缩后的拍频信号与参考信号进行相关解调506,由于在振动位置处的拍频信号时域图样将发生偏移,因此其互相关结果中相关峰发生偏移即说明该位置属于扰动区域,其扰动量Δε大小由互相关峰的偏移量决定,即
Figure BSA0000282080890000031
其中,K为扫频速率,V0为中心频率,Δt为互相关峰偏移量;
信号发生器203产生起始频率为v0,扫频范围为δv的电信号驱动光调制器201将单频连续光v1调制成含有多阶边带的扫频连续光,并且输出脉宽为T的脉冲电信号驱动脉冲调制器207后产生自相干啁啾光脉冲,其频域特点为:每个自相干啁啾光脉冲的频谱由两部分组成,一部分为起始频率为v0,扫频范围为δv的啁啾光,另一部分为只保留了光载频v1的单频光,这两部分的最小间隔要满足v0-v1≥δv,才能使得两部分光的互拍频成分不会与自拍频成分混叠,如图2所示;
第一光滤波器204滤波带宽范围为[v1-v0,v1+v0],第二光滤波器205滤波下限范围为[v1,v1+v0],滤波上限范围为[v1+v0+δv,2v1+2v0];
脉冲调制器207为声光调制器或半导体光放大器,用于产生高消光比的脉冲光信号;
脉冲调制器207输出的光脉冲e(t)电场表达式为:
Figure BSA0000282080890000032
其中,E0和E1为幅值,v1为光载频,v0为啁啾部分起始频率,
Figure BSA0000282080890000033
为扫频速率,δv为扫频范围,T为脉冲宽度,rect(·)为矩形函数。
光调制器为201为频率调制器或相位调制器,用于产生多阶边带光信号;
掺铒光纤放大器301用于放大光脉冲信号,提高其峰值功率;
滤波器302用于滤除掺铒光纤放大器302放大过程中产生的自发辐射噪声;
可调谐衰减器303用于衰减光脉冲的峰值功率,避免过大峰值功率击穿了相连的器件;
传感光纤402为单模光纤、保偏光纤或多模光纤;
光电探测器501为单端光电探测器,用于将接收到的瑞利散射光信号转化为拍频电信号,其拍频电信号I(t)表达式为:
I(t)=ILL(t)+ILS(t)+ISS(t) (2)
其中,ILL(t)为单频光自身拍频形成的信号成分,ISS(t)为啁啾光自身拍频形成的信号成分,ILS(t)为单频光与啁啾光相互拍频形成的信号成分。
采集卡502为高速采集卡,其采样率fs需满足fs≥2·(v0-v1+δv);
解调装置503为高性能计算机,用于对采集到的信号进行分析处理,包括数字带通滤波504、非匹配滤波505和相关解调506;
数字带通滤波504用于保留单频光和啁啾光相互拍频形成的信号成分ILS(t),其滤波带宽下限v0-v1,滤波带宽上限为v0-v1+δv,滤波后信号带宽为δv,空间分辨率为W,同时滤除单频光单独相互拍频和啁啾光单独相互拍频而形成的频率成分ILL(t)和ISS(t),其频率成分分布如附图4所示。其中,单频光与啁啾光相互拍频形成的信号成分ILS(t)的复信号表达式为:
Figure BSA0000282080890000041
其中,τi和τj为接收到的第i、j个散射点的散射光所需的时间延时,R(τi)和R(τj)为时延为τi和τj时的瑞利散射反射率,N为传感光纤散射单元数目。
非匹配滤波505用于对信号实现脉冲压缩,即将空间分辨率为W的互拍频成分的进行压缩,将空间分辨率W提升至W′,且满足W′<W;其中,非匹配滤波器脉宽为T1,且满足T1>T,起始频率为v0-v1,终止频率为v0-v1+δv,,扫频范围为δv,其中,非匹配滤波器h(t)的表达式为:
Figure BSA0000282080890000042
其中,
Figure BSA0000282080890000043
为扫频速率,v0-v1为起始频率,δv为扫频范围,T1为非匹配滤波器宽度,rect(·)为矩形函数;
非匹配滤波后系统的空间分辨率
Figure BSA0000282080890000044
其中,T为传感长度,n为折射率,c为光在真空中的光速;
经过非匹配滤波,即互拍频信号成分ILS(t)和非匹配滤波器h(t)进行卷积后,系统的空间分辨率
Figure BSA0000282080890000051
其中,c为光速,n是光纤折射率,T为脉冲宽度,δv为扫频范围,T1为非匹配滤波器宽度。
相关解调506通过互相关方式识别扰动区域的位置,即互相关结果中峰值不为0的位置处即为扰动区域,其扰动量Δε大小由互相关峰的偏移量决定,即
Figure BSA0000282080890000052
其中,K为扫频速率,V0为中心频率,Δt为互相关峰偏移量;
与现有的技术相比,本发明的优点在于:
1.本发明是一种基于脉冲自相干的光时域反射装置及方法,通过产生同时含有光载频和线性扫频的自相干啁啾脉冲,使得其在光电转换过程中产生具有线性啁啾特性的互拍频信号,从而能够通过匹配滤波技术提升空间分辨率,缓解了脉冲宽度,传感距离与空间分辨率之间的矛盾;
2.本发明使用直接检测结构,极大简化了系统的复杂度,同时免除相干检测结构中本地光引入的额外噪声。本装置在解调过程中使用了相关解调,避免了相位解调过程中由于干涉衰落引起的误判,该装置同时实现了高灵敏度和高空间分辨率的信号测量。
附图说明
图1为一种基于脉冲自相干的光时域反射装置结构示意图;
图2为自相干啁啾脉冲调制模块输出时频域示意图;
图3为自相干啁啾脉冲调制模块输出时序图;
图4为脉冲自相干产生的后向瑞利散射光频域示意图。
具体实施方式
为了更清晰地说明本发明提出的一种基于脉冲自相干的光时域反射装置及方法,以下结合实施例与附图对本发明做更详细的描述,但不应以此限制本发明的保护范围。
图1为一种基于脉冲自相干的光时域反射装置结构示意图。如图1所示,包括激光光源1、自相干啁啾脉冲调制模块2、光脉冲调节模块3、信号传输模块4与光探测与解调模块5五个部分。
激光光源1为窄线宽激光器;
光调制器201为单边带调制器;
脉冲调制器207为半导体光放大器;
传感光纤402为单模光纤;
光电探测器501为InGaAs单端探测器,带宽为4GHz;
采集卡502为高速采集卡,采样率为10GSa/s;
第一光滤波器204和第二光滤波器205均为窄带光滤波器,带宽均为5GHz,中心频率分别为1550.12nm和1550.14nm;
信号发生器203的一个通道输出脉宽为1us,起始频率为2GHz,扫频范围为1GHz的线性调频信号驱动光调制器201,另一个通道产生脉宽1us的同步脉冲信号驱动脉冲调制器207同步输出;
激光光源1输出1550.12nm的单频连续光,经过自相干啁啾脉冲调制模块2中光调制器201产生包含载波和单边高阶边带的连续光信号,分别经过第一光滤波器204和第二光滤波器205得到光载频和正一阶扫频边带,最后由耦合器206合束后进入脉冲调制器207调制成自相干啁啾光脉冲信号,其输出时序如图3所示;
自相干啁啾光脉冲信号由光脉冲调节模块3进行功率调整后输入至信号传输模块4中的环形器401传输至传感光纤402;
传感光纤402产生的后向瑞利散射光经由环形器401传输至光探测与解调模块5中的光电探测器501转化成拍频电信号,其频谱分为两部分,一部分是光载频和正一阶扫频边带单独拍频产生的ILL(t)+ISS(t),其频谱分布为[0,1GHz];另一部分是光载频和正一阶扫频边带相互拍频产生的ILS(t),其频谱分布为[2GHz,3GHz],这两部分频谱成分完全分开,不发生重叠;
采集卡502将光电探测器501输出的电信号进行了模数转换并传输至解调装置503进行处理,其步骤为:
1)通过解调装置503实现带宽下限为2GHz,带宽上限为3GHz的数字带通滤波504,将采集得到的瑞利散射干涉信号中相互拍频的成分ILS(t)保留,同时将采集得到的瑞利散射干涉信号中单独拍频的成分ILL(t)+ISS(t)滤除,如图4所示;
2)通过解调装置503产生符合干涉信号ILS(t)特性的数字滤波器进行非匹配滤波处理。其中,非匹配滤波器脉宽为1.01us,扫频范围为1GHz,则压缩前系统空间分辨率为W=100m,经过非匹配滤波器压缩后,系统空间分辨率W′≈0.85m;
3)按照一定长度的窗口将测量的瑞利散射图样与瑞利散射参考图样进行互相关运算,其振动位置处的瑞利散射图样将发生偏移,通过相关峰发生偏移位置确定扰动区域及应变大小,其应变量大小由互相关峰的偏移量决定,即
Figure BSA0000282080890000061
其中,K为扫频速率,Δt为互相关峰偏移量。
本实施例的空间分辨率受脉冲宽度影响,1us的脉宽对应的空间分辨率为100m,脉宽越大空间分辨率越差。当采用非匹配滤波器进行处理后,其空间分辨率由非匹配滤波器的长度以及线性啁啾范围决定,其空间分辨率可达到cm量级,提升近两个量级。
由具体实例可知,本发明提出了一种基于脉冲自相干的光时域反射装置及方法,它解决了传统装置中空间分辨率与脉宽的矛盾,在结构简单且免疫干涉衰落的优势下,同时实现了高灵敏度和高空间分辨率的信号测量,扩大了系统的应用场景。
另外,以上实施例中各个组成部件均可采用市面上的商用产品,本发明旨在保护它们的连接关系及其实现原理,因此并未对每个产品本身的型号等进行限定。附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明,不能理解为对本专利的限制。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于脉冲自相干的光时域反射装置,包括激光光源(1)、自相干啁啾脉冲调制模块(2)、光脉冲调节模块(3)、信号传输模块(4)、光探测与解调模块(5)五部分,其特征是:
1)激光光源(1)输出单频连续光经过自相干啁啾脉冲调制模块(2)中的光调制器(201)进行频率调制后,输入至第一耦合器(202)分成两束光;
2)第一耦合器第一输出端(202a)与第一光滤波器(204)连接,进行滤波后第一光滤波器(204)输出端与第二耦合器(206)相连;
3)第一耦合器第二输出端(202b)与第二光滤波器(205)连接,进行滤波后第二光滤波器(205)输出端与第二耦合器(206)相连;
4)第二耦合器(206)输出端与脉冲调制器(207)连接,进行光脉冲调制后脉冲调制器(207)输出端与光脉冲调节模块(3)中的掺铒光纤放大器(301)相连,其输出光信号经过滤波器(302)降噪后由可调谐衰减器(303)进行功率调节;
5)自相干啁啾脉冲调制模块(2)中的信号发生器(203)分别产生扫频电信号和脉冲电信号用于驱动光调制器(201)进行扫频光调制和同步脉冲调制器(207)进行光脉冲调制;
6)可调谐衰减器(303)输出端与信号传输模块(4)中的环形器(401)相连,其中环形器第一输出端与传感光纤(402)相连,环形器第二输出端(401b)与光探测与解调模块(5)中的光电探测器(501)相连;
7)光电探测器(501)输出端与采集卡(502)相连,采集卡(502)完成信号采集后将数据传输至解调装置(503)进行解调处理,首先通过数字带通滤波器(504)只保留单频瑞利散射光与一阶扫频瑞利散射光的拍频成分ILS(t),并且通过非匹配滤波(505)将该拍频信号进行压缩用于提高空间分辨率,接着对压缩后的拍频信号与参考信号进行相关解调(506),由于在振动位置处的拍频信号时域图样将发生偏移,因此其互相关结果中相关峰发生偏移即说明该位置属于扰动区域,其扰动量Δε大小由互相关峰的偏移量决定,即
Figure FSA0000282080880000011
其中,K为扫频速率,V0为中心频率,Δt为互相关峰偏移量。
2.根据权利要求1所述一种基于脉冲自相干的光时域反射装置,其特征在于,所述的自相干啁啾脉冲调制模块(2),其中:
1)所述的信号发生器(203)产生起始频率为v0,扫频范围为δv的电信号驱动光调制器(201)将单频连续光v1调制成含有多阶边带的扫频连续光,并且输出脉宽为T的脉冲电信号驱动脉冲调制器(207)后产生自相干啁啾光脉冲,其频域特点为:每个自相干啁啾光脉冲的频谱由两部分组成,一部分为起始频率为v0,扫频范围为δv的啁啾光,另一部分为只保留了光载频v1的单频光,这两部分的最小间隔要满足v0-v1≥δv,才能使得两部分光的互拍频成分不会与自拍频成分混叠;
2)所述的第一光滤波器(204)滤波带宽范围为[v1-v0,v1+v0],第二光滤波器(205)滤波下限范围为[v1,v1+v0],滤波上限范围为[v1+v0+δv,2v1+2v0];
3)所述的脉冲调制器(207)为声光调制器或半导体光放大器,用于产生高消光比光脉冲;
4)所述的光调制器为(201)为频率调制器或相位调制器,用于产生多阶扫频边带光信号。
3.根据权利要求1所述一种基于脉冲自相干的光时域反射装置,其特征在于,所述的光脉冲调节模块(3),其中:
1)所述的掺铒光纤放大器(301)用于放大光脉冲信号,提高其峰值功率;
2)所述的滤波器(302)用于滤除掺铒光纤放大器(301)放大过程中产生的自发辐射噪声;
3)所述的可调谐衰减器(303)用于衰减光脉冲的峰值功率,避免过大峰值功率击穿了相连的器件。
4.根据权利要求1所述一种基于脉冲自相干的光时域反射装置,其特征在于,所述的信号传输模块(4),其中:
1)所述的传感光纤(402)为单模光纤、保偏光纤或多模光纤。
5.根据权利要求1所述一种基于脉冲自相干的光时域反射装置,其特征在于,所述的光探测与解调模块(5),其中:
1)所述的光电探测器(501)为单端光电探测器,用于将接收到的瑞利散射光信号转化为拍频电信号;
2)所述的采集卡(502)为高速采集卡,其采样率fs需满足fs≥2·(v0-v1+δv);
3)所述的解调装置(503)为高性能计算机,用于对采集到的信号进行分析处理,包括数字带通滤波(504)、非匹配滤波(505)和相关解调(506)。
6.根据权利要求1所述一种基于脉冲自相干的光时域反射装置,其特征在于,所述的光探测与解调模块(5)的数字带通滤波(504),其特征是:
1)数字带通滤波(504)用于保留单频光和啁啾光相互拍频形成的信号成分ILS(t),其滤波带宽下限v0-v1,滤波带宽上限为v0-v1+δv,滤波后信号带宽为δv,空间分辨率为W,同时滤除单频光单独相互拍频和啁啾光单独相互拍频而形成的频率成分ILL(t)和ISS(t)。
7.根据权利要求1所述一种基于脉冲自相干的光时域反射装置,其特征在于,所述的光探测与解调模块(5)的非匹配滤波(505),其特征是:
1)非匹配滤波(505)用于对信号实现脉冲压缩,即将带宽为δv,空间分辨率为W的互拍频成分ILS(t)压缩,将其空间分辨率提升至W′,且满足W′>W;其中,非匹配滤波器脉宽为T1,且满足T1<T,起始频率为v0-v1,终止频率为v0-v1+δv,,扫频范围为δv。
8.根据权利要求1所述一种基于脉冲自相干的光时域反射装置,其特征在于,所述的光探测与解调模块(5)的相关解调(506),其特征是:
1)相关解调(506)通过互相关方式识别扰动区域的位置,当外界存在扰动时,扰动引起的相位变化等价于频率变化,而由于线性啁啾脉冲的时频映射关系,频率变化可等价于瑞利散射曲线在时间上发生了偏移,最终表现为扰动处的背向瑞利散射谱在时间域上有时延现象,通过对扰动前后的瑞利散射曲线进行互相关处理,可以算出时延的大小,进而算出扰动的大小,实现对外界扰动信号的定量测量,互相关结果中峰值不为0的位置处即为扰动区域,其扰动量Δε大小由互相关峰的偏移量决定,即
Figure FSA0000282080880000021
其中,K为扫频速率,V0为中心频率,Δt为互相关峰偏移量。
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